Ydinfuusio tarkoittaa kahden kevyen ytimen yhdistymistä yhdeksi raskaammaksi ytimeksi. Fuusio eli kevyiden alkuaineiden termonukleaariset reaktiot ovat tyypillisiä Auringossa ja muissa tähdissä tapahtuvia reaktioita. Auringossa todellakin fuusioidaan joka sekunti 657 miljoonaa tonnia vetyä 653 miljoonaksi tonnniksi heliumia. 4 miljoonan tonnin massaero muuttuu säteilyksi – ja näin Aurinko paistaa. Äärimmäiset lämpötila- ja korkeapaineolot luovat voimakkaasti ionisoituneen aineen tilan nimeltä plasma, jota gravitaatiovoimat pitävät koossa.

Fuusioreaktio, jossa vapautuu suhteellisen suuri energiamäärä (27,7 MeV), on reaktio, jossa neljä reagoivaa protonia johtaa heliumytimen (alfapartikkelin) muodostumiseen. Koska tässä prosessissa fuusioidaan vetyisotooppeja, ja vety on käytännöllisesti katsoen kaikkialla ympärillämme, ajatus energian saamisesta vedyn fuusiosta on erittäin houkutteleva: se tarjoaa näennäisesti rajattoman energialähteen tuleville sukupolville!

Fuusioreaktioita ei kuitenkaan ole helppo saavuttaa Maassa. On pidettävä mielessä, että vaadittavat lämpötilat ovat äärimmäisen korkeita, yleisesti sadojen miljoonien Kelvinien luokkaa. Ja kun kuuma plasma on kerran luotu, sen ylläpitämisen ongelma ei ole missään tapauksessa triviaali.

Tässä on luettelo kevyiden ytimien fuusioreaktioista, joita voitaisiin harkita käytännöllisissä sovelluksissa:

Fuusioreaktion käynnistämiseksi on voitettava ytimien välinen Coulombin hylkiminen. Siksi niillä on oltava korkea (muutamasta keV:stä useisiin satoihin keV:iin) alkukineetinen energia (puhumme myöhemmin toisesta mahdollisuudesta käynnistää fuusio matalissa lämpötiloissa ns. mesonien katalysoimana fuusiona). On helppoa kiihdyttää kevyitä hiukkasia tällaisiin energioihin. Kiihdyttimien käyttämiseen tarvittava energia ylittää kuitenkin selvästi fuusiosta saatavan energian. On käytännöllisempää käyttää erilaista lähestymistapaa: reagoivien aineiden kineettinen energia voi olla seurausta hiukkaskaasun korkeasta lämpötilasta. Kymmenien tai satojen miljoonien Kelvinien lämpötiloissa elektronit irtoavat atomeista, joten reagoivat aineet ovat olemassa kuumana plasmana. Tämän vuoksi puhutaan “termonukleaarisista” reaktioista.

Päätekniinen ongelma on äärimmäisen korkeiden lämpötila- ja paineolojen tuottaminen ionisoidussa kaasuna: plasmassa ja sen riittävän pitkä pidättäminen fuusion ja siten energianvapautumisen käynnistämiseksi. Kun tämä on saavutettu ja riittävästi fuusioreaktioita tapahtuu, olosuhteet voisivat olla itsestään ylläpitäviä, eli tuoreen polttoaineen syöttö pitäisi luoda jatkuva energiantuotanto.

Termonukleaarireakktorin energianvapautumisen välttämätön ehto on ns. Lawsonin kriteeri, jonka mukaan plasman ytimien tiheyden ja plasman pidätysajan tulo sopivassa sytytyslämpötilassa on ylitettävä tietty kynnysarvo. D-T-fuusioreaktiolle esimerkiksi:

n_eτ_E ≥ 1.5 × 10²⁰ s/m³

Korkeiden lämpötilojen välttämättömyys tarkoittaa, että plasma ei voi olla kosketuksessa seinien materiaalin kanssa. Siksi on kehitettävä erityisiä tekniikoita plasman pidättämiseen.

Plasman pidättämiseen on kolme menetelmää: gravitaatio-, magneetti- ja inertiaalinen. Tähdissä pidättäminen johtuu niiden gravitaatiokentästä, joka luo riittävän korkean paineen. Tällainen pidättäminen ei kuitenkaan ole sovellettavissa Maassa. Sen sijaan vahvoja magneettikenttiä voidaan käyttää plasman loukkuunottamiseen magneettisessa pidätyksessä, tai ns. inertiaalipidätyksessä vetypelletit puristetaan vahvalla laserilla tai hiukkassäteillä.

Magneettisen pidätyksen tapauksessa, jossa hiukkastiheys on suurempi kuin noin 10²⁰/m³, pidätysajan, jonka Lawsonin kriteeri antaa, on oltava pidempi kuin 1s. Inertiaalipidätyksen tapauksessa esimerkiksi tyypillinen plasmantiheys on ≈ 10³¹/m³, ja pidätysajan on oltava 10^-11s:n luokkaa.

Todennäköisin käytännöllisiin sovelluksiin soveltuva reaktio on deuteriumin ja tritiumin fuusio, D + T → ⁴He + n + 17,58 MeV, vaikka myös deuterium-deuterium-reaktioita harkitaan. Deuteriumia löytyy helposti vedestä (30 grammaa kuutiometriä kohti). Tritium on kuitenkin tuotettava joko ydinreaktorissa tai kasvatettava fuusioreaktorissa litiumista, alkuaineesta, jota löytyy maankuoresta suurissa määrissä.

Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä suhteellisen paksua (noin 1 m) litiumpeittoa, joka sisältää myös berylliumia, ja joka ympäröi reaktorin ydintä. Litium absorboi neutroneja, jotka hidastuvat peitossa, ja muuttuu tritiumiksi ja heliumiksi. Vapautuva energia lämmittää peitteen aloittaen näin tavanomaisen energiantuotannon. Berylliumin rooli on ylläpitää riittävä määrä neutroneja järjestelmässä.

Plasmassa olevien varattujen hiukkasten liikettä voidaan hallita ulkoisella magneettikentällä. Suljetuissa magneettisissa pidätysjärjestelmissä, joita kutsutaan tokamak-reaktoreiksi, plasma (esim. D-T) lämmitetään ja pidätetään tiheyksillä jopa 10²¹ hiukkasta kuutiometriä kohti. Magneettikenttä on suunniteltu pitämään hiukkaset poissa kotelon seinistä. Muutoin plasma ‘jäähtyisi’ välittömästi ja fuusioreaktiot loppuisivat.

Hyvin korkean lämpötilan lisäksi myös plasman pidättämiseen tarvittava magneetinen paine on vaikuttava. Atmosfäärisellä hiukkastiheydellä (noin 10²⁷ hiukkasta kuutiometriä kohti) ja 10 keV:n termisellä energialla magneettipaineen on ylitettävä 10⁸ hPa. Kenttäkelat ja niiden mekaaniset tuet eivät kestä tällaisia paineita! Paineen alentamiseksi hiukkastiheyttä on vähennettävä. Lawsonin kriteerin täyttämiseksi kuuma plasma on ylläpidettävä pidempään.

Tehokkain magneettikentän konfiguraatio on osoittautunut toroidaaliseksi. Reaktorikammio on munkin muotoinen ja muodostaa suljetun "magneettipollon". Plasman vakauden varmistamiseksi magneettikenttäviivat seuraavat todellisuudessa spiraalista polkua. Tällaista pidätystä tarjoavat laitteet, jotka tunnetaan tokamakeina, stellaraattoreina ja käänteis-kenttä-puriste -laitteina (RFP).

Tokamakissa useita keloja on sijoitettu torusmuotoisen kammion ympärille. Muuntajan ydin kulkee tokamakkin keskiosan läpi, kun taas plasmavirta muodostaa toisiopiirin. Kohtisuora, ns. poloidaalinen kenttä indusoidaan sekä sisäisesti plasmassa ajetulla virralla että ulkoisesti poloidaalisilla kentäkeloilla, jotka on sijoitettu astian kehän ympärille.

Tämä virta myös lämmittää plasman tarvittavaan korkeaan lämpötilaan, noin 10 miljoonaan K:iin. Tokamak-idea on peräisin venäläisiltä fyysikkoilta Andrei Saharovilta ja Igor Tammilta. Tokamakien tärkeimmät heikkoudet ovat suhteellisen kapea toimintaparametrien alue. Tähän mennessä rakennettu suurin tokamak oli Joint European Torus (JET).

Stellaraattorissa plasmaoloja säädellään plasman ulkopuolella kiertävillä virroilla. Stellaraattoreiden spiraalimaiset kenttäviivat tuotetaan sarjalla keloja, jotka itse ovat spiraalisia.

Suurin stellaraattori, Large Helical Device (LHD), aloitti toimintansa 1998 Japanin kansallisessa fuusiotutkimuslaitoksessa. Koska stellaraattoreissa plasmaan ei indusoida virtaa, lämmitys on saavutettava eri keinoin, esimerkiksi syöttämällä sähkömagneettista säteilyä plasmaan. Tällaista tekniikkaa suunnitellaan Greifswaldin kaupunkiin Saksassa. Nämä laitteet muistuttavat tokamakeja toroidaalisten ja poloidaalisten kenttien suhteen. Virrat ovat kuitenkin paljon vahvempia, ja myös toroidaalisen kentän suunta plasmassa kääntyy plasman reunalla. Tällaista järjestelmää käytetään muun muassa Padovassa Italiassa.

Inertiaalisen fuusiopidätyksen (ICF) tekniikka perustuu valmisteltuun D-T-polttoainepellettiin, joka sitten lämmitetään nopeasti plasmatilanteen saavuttamiseksi tarvittavaan lämpötilaan ja paineeseen.

Tämä saavutetaan puristamalla pelletti pommittamalla sitä voimakkailla, hyvin fokusoiduilla laservalovalaoilla. Tällaisissa olosuhteissa pelletin pinta haihtuu ja muodostaa plasmakoronan. Plasma laajenee ja tuottaa sisäänpäin liikkuvan puristusrintaman, joka saa pelletin imploitumaan aiheuttaen välittömän fuusioreaktion.

Kehittynein inertiaalipidätykseen perustuva fuusiojärjestelmä on NOVA Lawrence Livermore Laboratoryssa, Yhdysvalloissa. NOVAn tutkijat ovat osoittaneet, että puristuksessa voidaan saavuttaa tiheyksiä, jotka ovat 600-kertaisia nestemäiseen D-T-seokseen verrattuna ja 20-kertaa suurempia kuin lyijyn tiheys.

Euroopan yhteisö käynnisti Joint European Torus -JET-ohjelman vuonna 1978. JET:n pääasiallinen tavoite oli tehdä testejä fuusiosta, plasmafysiikasta ja stabiliteettiolosuhteista. Culham Iso-Britanniassa valittiin JET:n sijaintipaikaksi.

Laite, tosiasiassa tähän mennessä suurin tuotettu tokamak, oli toimintavalmis vuonna 1983, ja ensimmäinen ohjattu fuusioteho tuotettiin marraskuussa 1991. Ennätystehp 16 MW saavutettiin yhden sekunnin ajan vuonna 1997 sekoitetulla deuterium-tritium-polttoaineella. JET-koe osoitti, että ohjattu fuusio on mahdollinen.

Sen seuraaja on ITER, kansainvälinen tutkimus- ja insinööriprojekti, joka rakentaa parhaillaan maailman suurinta kokeellista tokamak-ydinfuusioreaktoreria Cadarachessa, Ranskassa. ITER-projekti pyrkii tekemään kauan odotetun siirtymän plasmafysiikan kokeellisista tutkimuksista täysimittaisiin sähköä tuottaviin fuusiovoimalaitoksiin.

National Ignition Facility (NIF), joka sijaitsee Kaliforniassa, Yhdysvalloissa, on maailman suurin ja energettisin laserlaitos, ja yksi sen tavoitteista on saavuttaa ydinfuusio ja energiansaanto laboratoriossa ensimmäistä kertaa – käytännössä luoda miniatyyritähti Maahan.

NIF käyttää tehokkaita lasereita pienen vetypolttoainemäärän lämmittämiseen ja puristamiseen pisteeseen, jossa ydinfuusioreaktioita tapahtuu. NIF on tähän mennessä rakennettu suurin ja energettisin ICF-laite, ja ensimmäinen, jonka odotetaan saavuttavan kauan tavoitellun "sytytyksen" tavoitteen, tuottaen enemmän energiaa kuin reaktion käynnistämiseen on käytetty. Sen tehtävänä on saavuttaa ydinfuusio korkealla energiansaannolla laboratoriossa ja tukea ydinaseiden ylläpitoa ja suunnittelua tutkimalla aineen käyttäytymistä ydinaseissa vallitsevissa olosuhteissa.

NIF-kohdekammion sisällä luodut äärimmäiset lämpötilat ja paineet antavat tiedemiehille mahdollisuuden tehdä ennennäkemättömiä kokeita korkean energiatiheyden tieteessä ja saada uusia näkemyksiä astrofysikaalisista ilmiöistä kuten supernovista, jättiläisplaneetoista ja mustista aukoista.

Fuusio on tavallaan ydinhalkeamisen vastakkainen reaktio. Jälkimmäisessä raskaasta ytimestä luodaan pienempiä massoja olevia ytimiä, ja tuotettujen massojen summa on pienempi kuin raskaan ytimen massa. Fuusion tapauksessa raskaamman ytimen massa on pienempi kuin kevyempien ytimien alkuperäisten massojen summa.

On helppo nähdä, että tällaisen reaktion käynnistämiseksi törmäävien ytimien suhteelliset energiat (muista, ne ovat positiivisesti varautuneita!) on oltava riittävän korkeita niiden sähköisen hylkimisen voittamiseksi. Siksi heliumatomien muodostamiseksi esimerkiksi deuteriumin ja tritiumin fuusiosta polttoaine on pidettävä äärimmäisen korkeassa lämpötilassa ja paineessa.

Juuri kuvatussa reaktiossa syntyy neutroni. Tällä neutronilla on hyvin korkea kineettinen energia, joka vapautuu hidastumisprosessin aikana. Tämä energia voidaan muuntaa lämmöksi höyryn tuottamiseksi, joka puolestaan voisi liikuttaa turbiinia ja käyttää sähkögeneraattoria. Tällaisissa fuusioreaktioissa syntyviä neutroneja voidaan myös käyttää ydinpolttoaineen tuottamiseen köyhdytetystä uraanista, eli uraanista, joka sisältää vähemmän ²³⁵U:ta kuin luonnollinen uraani (0,72%).

Noin yksi joka 6000. ympärillämme olevista vetyatomeista (mukaan lukien veteen varastoitu vety) on deuteriumatomi. Tämä runsaus on voimakas kannustin kehittää jonkinlainen fuusioreaktion laitos – sillä tämä antaisi ihmiskunnalle energiahuollon ehkä miljardeiksi vuosiksi!

Vertailun vuoksi: 1 GW-vuoden sähköenergian tuottamiseksi tarvitaan fissioon noin 35 tonnia UO₂ ja fuusioon noin 100 kg deuteriumia plus 150 kg tritiumia. Toinen fuusiota houkutteleva seikka on lähes täydellinen puuttuminen radioaktiivisia sivutuotteita. Erityisesti fuusiovoimalaitoksen toiminnasta ei tule materiaalia, jota voitaisiin käyttää ydinaseiden tuotantoon. Myös toisin kuin fissiota käyttävissä ydinreaktoreissa laitoksen räjähdys on käytännöllisesti katsoen mahdoton: jos räjähdys tapahtuisi, plasma laajenisi ja jäähtyisi, mikä implisiittisesti lopettaisi fuusioprosessin.

Tämä ei tarkoita, että fuusioreaktoreihiin ei liity vaaroja. Erityisesti on pidettävä mielessä neutronien ja radioaktiivisen tritiumin massiivinen tuotanto. Sulaneita litiumsuoloja ja syöpää aiheuttavaa berylliumia sisältävät myös ongelmaisia.

Kuten fissioreaktoreiden tapauksessa, fuusioreaktoreissa tuotetaan myös huomattava määrä ionisoivaa säteilyä (erityisesti neutroneja). Siksi odotetaan, että yksi tärkeimmistä ongelmista on suojaus indusoitua radioaktiivisuutta vastaan koko laitoksessa. Magneettieen järjestelmän mahdolliseen onnettomuuteen liittyvä vaara, joka varastoi äärimmäisen suuria energiamääriä, on otettava vakavasti. Vuonna 1992 perustettiin ryhmä nimeltä Eurooppalainen fuusioenergian turvallisuus- ja ympäristöarviointi (SEAFP). Ryhmän tarkoituksena on työskennellä fuusiovoimalaitosten suunnittelun, niiden turvallisuusolosuhteiden ja niiden ympäristövaikutusten arvioinnin parissa. SEAFP:n arvioiden mukaan fuusion tärkeimmät edut ydinfissiovoimalaitosten suhteen ovat, että pahimmassa tapauksessa säteilyn vapautuminen ei koskaan ole tasolla, joka pakottaisi ihmiset evakuoitumaan. Lisäksi fuusiovoimalaitoksissa tuotetut radioaktiiviset jätemateriaalit hajoavat suhteellisen nopeasti eikä niitä tarvitse eristää ympäristöstä. Erityinen ongelma liittyy radioaktiivisen tritiumin mahdolliseen vapautumiseen ympäristöön. Tämä radioaktiivinen kaasu on erittäin läpitunkeva, liukenee helposti veteen ja saattaa olla vaarallinen pitkään luomisensa jälkeen (tritiumin puoliintumisaika on noin 12 vuotta).

Tähän mennessä kaikki lupaukset ja toiveet energiantuotannosta ovat osoittautuneet ennenaikaisiksi – vasta ei kovin kauan sitten tuotettu energia on vastannut järjestelmään syötettyä energiaa (ensimmäiseksi amerikkalaisessa TFTR:ssä ja japanilaisessa JT60:ssä sekä Joint European Toruksessa – JET). Suurimmat haasteet ovat: vakaan plasmakonfiguraation ylläpito, materiaalien löytäminen jotka kestävät intensiiviset neutronivuot, energian kerääminen hyödyllisiin tarkoituksiin ja huomattavasti enemmän energian tuottaminen kuin mitä käytetään.

Tällä hetkellä fuusiovoiman kaupallistamispyrkimyksiä johtaa ITER, vuodesta 1985. Projekti sai uutta vauhtia ITER-organisaation perustamisen jälkeen vuonna 2007, jäseninä Kiina, EU, Intia, Japani, Etelä-Korea, Venäjä ja Yhdysvallat. Kone rakennetaan nyt Cadarachessa, Ranskassa, tavoitteenaan saavuttaa 500 MW:n teho ja fuusiokerroin Q=5-10 projektin 30 vuoden aikataulussa.

Tulevaan tokamak-rakennukseen liittyvien perustuksien valaminen – Cadarache, helmikuu 2014.

Valitettavasti termonukleaarista energiaa (kuten muitakin energiamuotoja) on jo käytetty sotilaallisiin tarkoituksiin ns. vetypommissa.